01. 熱分析儀器在電池材料中的常見應(yīng)用

02. DSC測試正極材料的熱安全性

鋰離子電池正/負極材料的熱失控容易引發(fā)電池的失效。DSC可對正/負極材料以及按特定比例縮小的全電池置于特定的DSC高壓坩堝中進行測試。

圖1 正極材料熱安全性測試

圖1為充電態(tài)NCM811正極材料混合一定比例電解液進行的三次重復(fù)測試，該三元正極材料出現(xiàn)兩個放熱峰，第一個放熱峰出現(xiàn)在220℃附近，推測為電解液分解引發(fā)的三元材料的分解。兩步分解放熱共計超過2500J/g，放熱情況十分嚴重，一旦熱失控，可能會造成電池的爆炸。可見，DSC可快速準(zhǔn)確地研究電池材料熱失控溫度、放熱焓值和放熱速率，也可進行不同工藝電池?zé)崾Э匦袨榈难芯俊?/span>

03. 負極材料的熱安全性測試

鋰離子電池負極在充電后處于富鋰狀態(tài)，且會隨著電池溫度的升高變得不穩(wěn)定。DSC可用來檢測不同充電狀態(tài)負極材料的熱穩(wěn)定性。

圖2 負極材料熱安全性測試

圖2是充電態(tài)NCM523負極材料混合特定比例電解液后在25uL高壓坩堝中進行測試的結(jié)果，樣品制備過程在手套箱中完成。測試結(jié)果顯示，鋰離子電池負極材料在約110℃處出現(xiàn)較小的放熱峰，這是由于少量電解液組分的分解造成的；之后在266℃與307℃出現(xiàn)連續(xù)地放熱峰，這主要歸結(jié)于大量電解液分解引發(fā)的大量放熱，超過1600J/g的熱焓值也意味著放熱的嚴重程度。此外，DSC還可用于不同充電狀態(tài)或不同工藝負極材料的熱穩(wěn)定性研究。

04. 熱安全反應(yīng)動力學(xué)

動力學(xué)方法可以幫助我們了解速率、反應(yīng)歷程以及各種因素對化學(xué)反應(yīng)的影響，并可預(yù)測體系在特定實驗條件下的行為。影響鋰離子電池的熱失控的因素有很多種，我們可以通過動力學(xué)方法對鋰離子電池的熱失控行為進行研究和預(yù)測。

圖3 熱安全反應(yīng)動力學(xué)分析

圖3所示為按照特定比例混合NCM523正極材料、負極材料和電解液的測試曲線，樣品被密封后使用DSC進行不同升溫速率的測試。由于鋰離子電池的成分較為復(fù)雜，導(dǎo)致分解過程分多步進行，因此，我們使用基于等轉(zhuǎn)化率法的非模型動力學(xué)，得到隨反應(yīng)進度而變化的活化能曲線，右側(cè)等轉(zhuǎn)化率預(yù)測結(jié)果顯示了體系達到特殊反應(yīng)進度所需要的時間和溫度。

05. 正極材料充放電狀態(tài)熱穩(wěn)定性

正極材料是鋰電池中的關(guān)鍵材料，正極材料的熱穩(wěn)定性會隨著鋰離子電池的充放電過程和次數(shù)發(fā)生改變。

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